智能決策支持系統在趙莊礦通風系統優化中的應用

張樹豐 李博倫 趙曉濤

(1.山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院；3.礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室)

煤礦井下通風系統復雜，是多數礦井的通病，如何做到礦井通風系統簡單，便于管理是亟待解決的問題[1-2]。在通風管理過程中多數決策都依靠現場經驗和類似情況處理，遇到復雜網絡和2個系統貫通的系統優化問題，更是無法依靠人工來解決，缺少科學、統一的方法來指導現場方案的制定。本文以趙莊礦為例，利用礦井通風智能決策支持系統(簡稱智能決策系統)模擬方案[3-6]，采用科學的手段解決實際問題，具有一定的指導意義。

1 礦井概況

趙莊礦位于沁水煤田東南部，生產能力為8.0 Mt/a，礦井采用斜立井混合開拓方式。通風方式為分區通風，通風方法為抽出式，為“五進三回”的通風系統。礦井總共分為5個盤區，其中一、三、五盤區為正在生產的盤區；二盤區井底車場部分已經建設完成，且即將通過二一〇三巷與一、三、五盤區通風系統相連通；四盤區尚處于規劃階段。趙莊礦共有8個井筒，為典型的復雜網絡。現通風系統存在以下問題：負擔一盤區回風的張店一號風機能力不足的現象；負擔三盤區、五盤區回風的張店二號風機電機滿負荷運轉，后期無提升空間，從而導致三盤區供風量不足；二盤區處于盤區建設時期，需風量極少，無法與現有風機能力進行匹配，造成大量風量浪費的現象。

2 通風系統分析

2.1 通風阻力

礦井的阻力是對礦井通風情況最直觀的反映，不合理的阻力分布與阻力值都會對通風產生負面的影響，從而惡化通風系統，通過2個方面對通風阻力進行分析。

2.1.1 最大阻力路線分析

通過最大阻力路線可以直觀得到礦井在各位置的阻力分布，便于發現阻力過大的部分，趙莊礦的最大阻力路線如下:

(1)張店一號路線。西范進風立井→井底聯絡巷→一一〇三巷→一三〇八一巷→一號橫川→一三〇八四巷→一三〇九工作面→一三〇九一巷→十八號橫川→一三〇九二巷→一一〇二巷→一一〇四巷→聯絡巷→一三〇四三巷→北二回風巷→北翼回風巷→西翼北回風巷→張店一號回風井。

(2)張店二號路線。副立井→北翼進風大巷→西翼南輔運巷→三一〇三巷→三三〇七巷→三三〇七工作面→三三〇八三巷→三三〇七輔運聯絡巷→西翼南回風巷→井底車場→張店二號回風井。

通過分析發現，張店一號存在部分線路阻力較高的問題，其中，北二回風巷部分阻力尤為突出，可以考慮對回風巷進行擴面降阻。最大阻力路線及變化曲線見圖1、圖2。

圖1 最大阻力路線示意

2.1.2 三區阻力分析

通過對最大阻力路線進行三區劃分(圖3)，發現三區阻力分布與0.25∶0.45∶0.3的合理分配比例相差較遠，存在阻力分布不均的問題。張店一號三區分布不均是由于進風線路過短，引起阻力分布不均。而張店二號進風路線過長是導致阻力分布不合理的根本原因，通過三盤區的風量較小是導致用風段阻力小的重要原因，通過加大三盤區的過風量可以改善這種分布不合理的情況，也從側面反映了三盤區過風量需要提升這一問題。

2.2 風量分析

通過表1風量核算可以發現，南蘇回風立井兼作提升井時存在嚴重的漏風現象，漏風量高達總風量的38%，遠超《煤礦安全規程》[7](以下簡稱《規程》)中“現有箕斗提升井兼作回風井，必須有封閉措施，其漏風率不得超過15%”所規定的風量。現通風系統存在風量利用率低的問題，需要加強通風管理。

圖2 最大阻力曲線▲—張店一號最大阻力路線；●—張店二號最大阻力路線

圖3 三區阻力分布表1 通風系統風量統計m3/min

3 智能決策系統應用

針對阻力分布不均、通風管理不到位等問題，提出優化系統的解決辦法，并運用智能決策系統構建趙莊礦的通風系統進行優化模擬。仿真系統構建前，對礦井數據進行收集，通過平差調節使系統達到使用要求，最終對方案進行模擬來驗證可行性。

3.1 基礎參數獲取

為獲取礦井阻力參數，對礦井進行了全礦測阻，測阻過程中選用了4條主測線路，3條輔測線路，共布置測點107個，采用傾斜壓差計和氣壓計相結合的測試方法進行測量。為獲取風機參數，采用徐州煤礦安全設備制造有限公司TF-3B型檢測設備和系統對主要通風機進行測試。在風硐適當位置布置風速傳感器、壓力傳感器、濕度傳感器，通過Origin繪圖軟件處理得到風機特性曲線及特性方程[8]。

3.2 仿真系統建立

將通風系統圖在智能決策系統中重新繪制，錄入每條巷道的長度、百米摩擦風阻、巷道名稱和風流方向。在仿真系統中加入各個風機在不同角度下的運行曲線，以便掌控風機風量負壓隨著系統改變而發生的變化，更好更安全地對方案進行調控、制定。構建好的通風系統見圖4。

圖4 趙莊礦通風系統仿真圖

3.3 誤差控制

對整個系統進行平差調節，使仿真系統達到工業精度要求。

(1)以各個重要用風點處回風量之和為約束條件，其相對誤差控制在5%以下。

(2)主要通風機的工況點的相對誤差控制在5%以下。

(3)主要井巷的風量誤差一般控制在5%以下。

經過與測試數據比對，以上3個參數的誤差范圍均小于5%，認定誤差在可接受的范圍內，仿真系統可以進行方案模擬。

4 通風系統優化模擬

4.1 優化方案

為了使通風系統改造方案更好地貼合實際需求，結合3 a、5 a規劃提出方案。

(1)目前張店一號風機最大排風量為16 800 m3/min，一盤區作為主采盤區，需滿足1個采面、4條煤巷順槽、4條大巷延伸、4個巖巷銜接要求，需風量在22 000 m3/min以上。由于一盤區的通風系統過于獨立，已形成了一個進、回風體系，通過調整主要通風機葉片角度和系統降阻措施都無法滿足工作地點的風量供應，因此，只能對負責一盤區回風的張店一號風機進行更換，選用能力更大的風機來滿足生產需求。

(2)對于二盤區風機能力過剩以及提高三盤區供風的問題，將二盤區和主系統貫通的特殊時期通盤考慮，提出利用二盤區風機的過余能力使三盤區風量增加，從而達到生產需求的解決辦法。使部分風流從二一〇三巷流入南蘇回風立井，將2臺風機作為一個并聯系統，使流入系統的總風量增加。

4.2 方案模擬

張店一號回風立井選用能力更大的AGF606-3.6-1.8-2型號風機，利用Origin軟件向仿真系統中加入風機特性曲線參數[9]。通過構建好的模型進行網絡解算，更換后的風機在-5°下運行完全可以滿足生產需求，此時風量為22 000 m3/min，負壓為3 800 Pa。《煤礦井工開采通風技術條件》(AQ 1028—2006)[10](以下簡稱《開采技術條件》)中規定，礦井風量在大于20 000 m3/min時，礦井總阻力應小于3 920 Pa；礦井風量在10 000～20 000 m3/min時，礦井總阻力應小于2 940 Pa；礦井風量在5 000～10 000 m3/min時，礦井總阻力應小于2 500 Pa。因此，完全符合規定要求。

對三盤區風量增加的調整方案實施過程中，受到實際情況制約及《規程》中對巷道風量要求“采區進回風巷風速范圍為0.25～6 m3/s”；二一〇三巷最大過風能力為9 576 m3/min，將貫通時期過風量控制為4 000 m3/min左右，為日后風量再調節留出一定的空間；南蘇井底車場掘進部分需要供風量約6 000 m3/min；西翼掘進需風量保證約3 900 m3/min；三盤區需風量要從現有的10 000 m3/min增加到13 000 m3/min。使用已構建的智能決策系統軟件進行解算，通過調節通風構筑物的狀態來實現系統優化。

(1)在南蘇回風立井對提升處漏風進行控制，使其減小到2 500 m3/min左右，將漏風量控制在規程規定范圍內。

(2)在南蘇井底掘進處適當位置增添調風設施，使供風量滿足掘進即可，為南蘇風機負擔部分三盤區回風提供能力。

(3)在西翼膠帶巷與西翼北輔運巷掘進處適當位置增添調風設施，使供風量滿足掘進即可。

(4)在33071巷中拆除調節風門，大大地降低三盤區的阻力，使得通風路線順暢，進而提高供風量，并在三盤區上部掘進頭處增加調節風窗，使供風量滿足掘進即可。

此時網絡解算結果為二一〇三巷風量4 517 m3/min；三盤區總回風13 533 m3/min，基本滿足生產要求；五盤區總回風量15 250 m3/min；南蘇風機風量17 274 m3/min，負壓2 416 Pa，漏風風量4 032 m3/min；張店二號風機風量32 040 m3/min，負壓3 404 Pa。

基于二盤區未來的規劃，對上述方案模擬結果進行驗證。當盤區建設完成時，同現在相比多出一個回采工作面、一個備采工作面、一個瓦斯抽采系統，經過“四算一校核”計算，需風量共多出7 500 m3/min。此時，可通過上調南蘇風機角度來滿足風量供應，通過網絡解算，南蘇風機通過方案優化后風量增加了8 063 m3/min，負壓增長到2 889 Pa，風量、負壓均符合相關規定，此時各盤區風量也滿足生產要求。

4.3 優化后系統評價

方案模擬后的系統與原系統進行數據比對，見表2。可以看出，通風系統中張店二號風機負壓相對于原始狀態增加了8.9%，負壓的增長完全在合理范圍內；張店二號三區阻力分布數據更為合理，通過最小二乘法[10]對優化前后S2數值進行計算，證明了優化的合理性；南蘇風機有效風量提高了23.5%，達到了《規程》要求。調整后的趙莊礦通風系統更加安全、合理，優化了通風結構，解決了實際問題。

表2 優化后礦井通風系統數據

5 結 語

將礦井通風智能決策支持系統與現場實際相結合，模擬2個系統相互連通的情況，并利用能力富裕的南蘇風機解決張店二號風機能力不足的問題，增加了三盤區的供風量。同時，模擬了未來二盤區開采情況，通過上調南蘇風機的運行角度，完全滿足以后的用風需求，從長遠的角度論證了此調節方法的可行性，增強系統改造的可靠度。礦井通風智能決策支持系統的應用對整個礦山生產環節起到了指導作用，為解決礦井存在的類似問題提供了參考。